Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn ma sát ngoáy đối với hợp kim nhôm
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.54 MB, 91 trang )
ĐỖ THANH TÙNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
ĐỖ THANH TÙNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
HÀN MA SÁT NGỐY ĐỐI VỚI HỢP KIM NHƠM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
KHỐ 2015B
Hà Nội – Năm 2018
MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 4
LỜI CÁM ƠN ................................................................................................... 5
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ 6
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ .................................................. 8
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 10
1. Lý do lựa chọn đề tài ............................................................................... 10
2. Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng công nghệ FSW .................................. 11
3. Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận văn.............. 11
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả ..... 12
5. Phương pháp nghiên cứu........................................................................ 12
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................. 13
1.1. Hàn ma sát ............................................................................................ 13
1.1.1. Khái niệm.................................................................................................13
1.1.2. Lịch sử phát triển .....................................................................................13
1.1.3. Phân loại ..................................................................................................14
1.1.3.1. Hàn ma sát quay....................................................................................14
1.1.3.2. Hàn ma sát tịnh tiến ..............................................................................16
1.1.2.3. Hàn ma sát ngoáy..................................................................................17
Hàn điểm ma sát ngốy......................................................................................18
1.2. Cơng nghệ hàn ma sát ngốy ............................................................... 18
1.2.1. Nguyên lý hàn ma sát ngoáy ....................................................................19
1.2.2. Đặc điểm của FSW ..................................................................................20
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
1
1.2.3. Ứng dụng của FSW .................................................................................21
1.3. Công nghệ hàn hợp kim nhôm ............................................................. 23
1.3.1. Nhôm và hợp kim nhôm ..........................................................................23
1.3.2. Tính hàn của nhơm và hợp kim nhơm .....................................................26
ảy nhơm và hợp kim nhôm .....................27
1.3.3.1. Hàn hồ
.........................................27
1.3.3.2. Hàn TIG (GTAW) ................................................................................28
1.3.3.3. Hàn MIG (GMAW) ..............................................................................28
1.3.3.4. Hàn plasma (PAW) ...............................................................................29
1.4. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam ............................ 32
1.4.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng FSW trên thế giới .................................32
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................39
Chương 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FSW ĐỐI VỚI VẬT
LIỆU HỢP KIM NHƠM ................................................................................. 42
2.1. Sự hình thành liên kết hàn FSW .......................................................... 42
2.2. Thông số ảnh hưởng công nghệ FSW .................................................. 46
2.3. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số cơ bản của chế độ hàn đến chất
lượng của liên kết hàn ................................................................................. 46
2.4. Đầu hàn FSW và ảnh hưởng của hình dạng kích thước hình học đến
chất lượng mối hàn ...................................................................................... 47
2.4.1. Vai tỳ........................................................................................................49
2.4.2. Lựa chọn vật liệu chế tạo đầu hàn FSW ..................................................49
2.4.3. Thiết kế đầu hàn FSW .............................................................................51
Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................ 54
3.1. Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm ................................................ 54
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
2
3.2. Chế tạo đầu hàn .................................................................................... 54
3.3. Máy, thiết bị phụ trợ và đồ gá thí nghiệm FSW .................................. 55
3.3.1. Máy hàn ...................................................................................................55
3.3.2. Thiết bị ghi đo nhiệt độ quá trình hàn FSW ............................................58
3.4. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm .................................................................... 59
3.5. Chọn giá trị thông số hàn cơ bản để khảo sát ...................................... 61
3.6. Các bước tiến hành thí nghiệm ............................................................ 63
3.6.1. Các bước thực hiện FSW đối hợp kim nhơm ..........................................63
3.6.2. Thực hiện cơng việc thí nghiệm FSW .....................................................64
3.6.3. Kiểm tra đánh giá sự hình thành liên kết hàn. .........................................66
3.6.4. Thực hiện đo nhiệt độ mối hàn ................................................................68
3.7. Một số kết quả nghiên cứu ................................................................... 69
3.7.1. Kết quả thí nghiệm đầu hàn FSW đối với hợp kim nhôm tự chế tạo. .....69
3.7.2. Kết quả thí nghiệm FSW với hợp kim nhơm A5052 ...............................71
3.7.3. Kết quả kiểm tra cơ tính ..........................................................................76
3.7.4. Kết quả khảo sát ghi đo nhiệt độ mối hàn ...............................................81
KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ ........................................................................... 87
1. Kết luận ................................................................................................... 87
2. Kiến nghị ................................................................................................. 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 89
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan ngoại trừ các số liệu được trích dẫn từ tài liệu tham khảo
thì nội dung cịn lại là cơng trình nghiên cứu và tính tốn của riêng tơi. Các số liệu
tính tốn là trung thực và chưa được ai công bố. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách
nhiệm.
Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2018
Người cam đoan
ĐỖ THANH TÙNG
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
4
LỜI CÁM ƠN
Tác giả chân thành cám ơn PGS.TS. Nguyễn Thúc Hà và TS. Hà Xuân Hùng
đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện về tài liệu và động viên tác giả trong q trình
nghiên cứu và hồn thành bản luận văn này.
Tác giả xin trân trọng cám ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Hàn và Công nghệ
Kim loại – Viện Cơ Khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và
động viên tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn này.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Phịng thí nghiệm trọng điểm Cơng nghệ Hàn
và Xử lý bề mặt và Trung tâm Công nghệ – Học viện kỹ thuật Quân sự đã tạo điều
kiện thuận lợi về cơ sở thiết bị máy móc phục vụ thí nghiệm, nhiệt tình giúp đỡ tác
giả trong suốt quá trình tiến hành thực nghiệm.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Bố, Mẹ và các thành viên
gia đình tác giả đã ln động viên, ủng hộ và tạo điều kiện trong suốt quá trình
nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả
ĐỖ THANH TÙNG
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
5
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
Ký hiệu/ viết tắt
1
FSW
2
SMAW
3
MIG/MAG
Ý nghĩa
Hàn ma sát ngốy
Hàn hồ quang tay/ thủ cơng
Hàn hồ quang bằng điện cực nóng chảy trong
mơi trường khí trơ/ hoạt tính
4
TIG/GTAW
Hàn hồ quang bằng điện cực khơng nóng
chảy trong mơi trường khí trơ
5
PAW
Hàn hồ quang plasma
6
PTA
Hàn hồ quang plasma bột
7
AWS
Hiệp hội hàn Mỹ
8
TWI
Viện Hàn Anh Quốc
9
VNIESO
Sở nghiên cứu Công nghệ Hàn Soviet
10
BWRA
Hiệp hội nghiên cứu Công nghệ Hàn Anh
Quốc
11
BM, KLCB
Kim loại cơ bản
12
SZ
Vùng trung tâm mối hàn FSW
13
TMAZ
Vùng ảnh hưởng cơ nhiệt mối hàn FSW
14
HAZ
Vùng ảnh hưởng nhiệt
15
v
Vận tốc hàn trong FSW
16
w
Vận tốc quay đầu hàn trong FSW
17
Uh
Điện áp hàn
18
Ih
Cường độ dòng điện hàn
19
Vh
Vận tốc hàn
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
6
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Thành phần hoá học của Al 5052 ............................................................60
Bảng 3.2: Tính chất vật lý và cơ tính Al 5052 ..........................................................60
Bảng 3.3. Lựa chọn giá trị thơng số quy trình FSW .................................................62
Bảng 3.4. Các bước cơng nghệ q trình FSW .........................................................63
Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm khảo sát đầu hàn FSW đối với hợp kim nhôm..........70
Bảng 3.6. Kết quả kiểm tra ngoại dạng mối hàn giáp mối FSW đối với hợp kim
nhôm tấm A 5052 dày 6 mm ...................................................................72
Bảng 3.7. Kết quả kiểm tra độ bền kéo .....................................................................79
Bảng 3.8. Thống kê kết quả thí nghiệm ....................................................................80
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
7
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Hàn ma sát quay ........................................................................................14
Hình 1.2. Các bước hàn ma sát quay.........................................................................15
Hình 1.3. Hàn ma sát tịnh tiến...................................................................................16
Hình 1.4. Hàn ma sát tịnh tiến may ơ với cánh .........................................................16
Hình 1.5. Hàn ma sát ngốy. .....................................................................................17
Hình 1.6. Hàn điểm ma sát ngốy và cấu trúc mối hàn. ...........................................18
Hình 1.7. Nguyên lý hình thành mối hàn FSW .........................................................19
1.8.
1.9. N
....................................27
....................................................................................28
...............................................................................28
Hình 1.11. Sơ đồ mỏ hàn hàn hồ quang plasma........................................................30
Hình 1.12. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động laze sử dụng hồng ngọc. ............31
Hình 1.13. Hàn vỏ nhơm máy tính ............................................................................34
Hình 1.14. Một số hãng xe ứng dụng FSW vào sản xuất chế tạo .............................35
Hình 1.15. Gầm trung tâm xe Ford GT .....................................................................36
Hình 1.16. Tàu điện cao tốc ......................................................................................37
Hình 1.17. Tàu vũ trụ Orion - Nasa ..........................................................................37
Hình 1.18. Phi thuyền Super Liner Ogasawara .........................................................38
Hình 1.19. Hộp đồng chứa rác thải hạt nhân.............................................................39
Hình 2.1. Sơ đồ hình thành mối hàn FSW ................................................................42
Hình 2.2. Mơ hình tạo liên kết hàn bằng FSW .........................................................42
Hình 2.3. Các vùng mối hàn FSW ............................................................................43
Hình 2.5. Phân loại đầu hàn FSW .............................................................................48
Hình 2.6. Bề mặt vai tỳ đầu hàn FSW ......................................................................49
Hình 2.7. Đầu hàn với đầu ngốy hình nón, vai tỳ dạng cuộn phẳng .......................51
Hình 2.8. Đầu hàn với đầu ngốy cơn ren và vai tỳ phẳng .......................................52
Hình 3.1. Đầu hàn FSW chế tạo bằng S45C .............................................................54
Hình 3.2. Đầu hàn FSW chế tạo bằng thép gió .........................................................55
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
8
Hình 3.3. Máy phay CNC URAWA UB-75-2sp ......................................................55
Hình 3.4. Đồ gá phơi hàn FSW .................................................................................57
Hình 3.5. Sơ đồ xử lý tín hiệu trong hệ thống đo......................................................58
Hình 3.6. Giao diện chương trình khi mới khởi động ...............................................59
Hình 3.7. Chuẩn bị các phơi hàn theo kích thước 150x80 mm.................................61
Hình 3.8. Gá phơi vào đồ gá .....................................................................................64
Hình 3.9. Gá phơi và dây can nhiệt vào đồ gá hàn FSW ..........................................65
Hình 3.10. Gá phơi hàn, đồ gá lên máy và lắp đặt cảm biến nhiệt ...........................65
Hình 3.11. Gá lắp đầu hàn lên máy phay CNC .........................................................66
Hình 3.12. Cài đặt chế độ và kiểm tra các nguyên công gá lắp ................................66
3.13. Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn ..................................................................67
Hình 3.14. Máy thử độ bền kéo, nén, uốn UH-25S ..................................................68
Hình 3.15. Sơ đồ bố trí cặp nhiệt K ..........................................................................69
Hình 3.16. Mẫu thử độ bề kéo mối hàn.....................................................................77
Hình 3.17. Gá lắp các mẫu kéo lên máy thử kéo ......................................................78
Hình 3.18. Mẫu thử kéo trên máy sau kéo đứt ..........................................................78
Hình 3.19. Các mẫu thử kéo sau khi kéo kiểm tra độ bền kéo .................................79
a. Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w=500 vòng/phút ...................................82
b. Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w= 600 vòng/phút..................................82
c. Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w= 700 vòng/phút ..................................83
d. Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w= 800 vòng/phút..................................83
e. Ghi đo nhiệt độ mối hàn với w= 900 vịng/phút ..................................84
Hình 3.20. Kết quả ghi đo nhiệt độ mối hàn theo thời gian thực ..............................84
Hình 3.21. Ảnh hưởng của tốc độ quay đầu hàn đến nhiệt độ ..................................85
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
9
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Đã từ lâu, những khó khăn trong việc tạo ra các mối hàn có khả năng chống
gãy, mỏi và có độ bên cao trong các hợp kim nhôm sử dụng trong hàng không vũ
trụ, hàng hải, ơ tơ, làm cho chúng ta ít sử dụng kỹ thuật hàn để hàn nối các hợp kim
nhơm với nhau. Nói chung, những hợp kim nhơm này thường được xếp vào loại
khó hàn vì vi cấu trúc ở trạng thái đông đặc kém và các rỗ xốp trong vùng nóng
chảy. Ngồi ra, sự các tính chất cơ học so với vật liệu nền giảm đi rất đáng kể.
Những yếu tố này làm cho việc hàn nối các hợp kim nhơm bằng q trình hàn thơng
thường ít được quan tâm nghiên cứu. Một số hợp kim nhơm có thể được hàn điện
trở, nhưng việc chuẩn bị bề mặt đắt tiền, trong đó hiện tượng oxi hóa bề mặt là một
vấn đề khó khăn lớn.
Hàn ma sát ngốy (FWS - Friction Sitr Welding) là bước tiến quan trọng
nhất về lĩnh vực hàn trong thập niên qua và là một công nghệ xanh hiệu quả trong
tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường. So sánh với những công nghệ hàn trước
đây thì hàn ma sát ngốy tiêu thụ ít năng lượng một cách đáng kể, khơng sử dụng
khí hàn, khơng có khí độc khi hàn, khơng phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức
xạ,...Do đó tạo mơi trường trong sạch. Ngồi ra hàn ma sát ngốy khơng cần sử
dụng kim loại que hàn để điền đầy mối hàn, ít biến dạng và không nứt kết tinh.
Ở nước ta hiện nay cơng nghệ hàn ma sát ngốy cịn rất mới mẻ, đã có một
số nghiên cứu về cơng nghệ hàn ma sát ngốy như nghiên cứu thơng số chế độ hàn,
trường nhiệt, góc nghiêng đầu ngốy ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn. Các cơng
trình này đã bước đầu thành công trong việc nghiên cứu và thực nghiệm đánh giá
cơng nghệ hàn ma sát ngốy. Các thơng số hàn và thông số về nhiệt cũng được
nghiên cứu đánh giá thực nghiệm. Các kết quả đạt được của các nghiên cứu được
các tác giả thực nghiệm trên máy phay với đầu hàn chế tạo trong nước, do điều kiện
máy hàn ma sát ngốy chưa có ở Việt Nam..
ề
ị hàn thực hiện tốt hơn cơng việc của
mình và các doanh nghiệp có điều kiện tốt hơn trong việc ứng dụng cơng nghệ
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
10
ản xuất, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm cũng
như hạ giá thành sản phẩm. Tác giả đã lựa chọn hướng nghiên cứu về hàn ma sát
ngốy với đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ hàn ma sát ngốy (FSW) đối
với hợp kim nhơm”. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu công nghệ FSW về thông số
chế độ, đầu hàn FSW và thực hiện các thí nghiệm hàn ma sát ngốy với hợp kim
nhơm. Từ đó, làm chủ được q trình FSW, đồng thời luận văn có thể là tài liệu
tham khảo hữu ích cho các đề tài nghiên cứu về quá trình hàn ma sát ngoáy trong
nước ta sau này.
2. Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ FSW
Hàn ma sát ngốy (Friction Stir Welding - FSW) là phương pháp hàn trạng
thái rắn thích hợp được phát triển bởi The Welding Institute (TWI) của Anh Quốc
vào năm 1991. Quy trình FSW ban đầu được áp dụng cho nhôm và các hợp kim của
nó và được sử dụng rộng rãi trong việc gia nhập Al, Mg, Cu và các hợp kim của
chúng. Sau đó, nó đã được sử dụng để hàn các kim loại tương đối cứng hơn bao
gồm vật liệu composite và chất dẻo. Kỹ thuật FSW rất đơn giản, thân thiện với môi
trường, tiết kiệm năng lượng và trở thành điểm thu hút chính cho nhiều ngành cơng
nghiệp như ơ tơ, hàng không [1].
Hiện nay, FSW đang nổi lên như là một kỹ thuật hàn trạng thái rắn rất hiệu
quả. Trong một thời gian tương đối ngắn sau khi phát minh, một vài ứng dụng thành
công của FSW đã được chứng minh như vỏ tên lửa, thân vỏ tàu thủy, máy bay, tàu
điện bằng hợp kim nhơm, ... Bên cạnh đó, FSW cịn được ứng dụng nhiều trong các
cơng nghiệp hạt nhân để xử lý rác thải phóng xạ.
3. Mục tiêu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FSW để hàn giáp mối
hợp kim kim nhôm.
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu lý thuyết công nghệ FSW,
thiết kế chế tạo đầu hàn FSW, nghiên cứu thực nghiệm hàn giáp mối hợp kim nhôm
A 5052 để đánh giá chất lượng mối hàn.
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
11
Phạm vi nghiên cứu của luận văn: nghiên cứu ảnh hưởng của các thơng số
chế độ chính tới sự hình thành liên kết hàn giáp mối hợp kim nhôm tấm A5052 dày
6 mm.
4. Tóm tắt cơ đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Về tính khoa học, phương pháp FSW là một trong những công nghệ hàn mới
hiện nay, được nhiều nước và các hãng sản xuất lớn trên thế giới nghiên cứu ứng
dụng, là một trong những yếu tố quan trọng cải thiện hiệu quả cơ tính, độ bền của
sản phẩm.
Với nghiên cứu của mình tác giả đã nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ hàn ma
sát ngốy để liên kết hàn hợp kim nhơm tấm.
Trong nghiên cứu của mình tác giả đã lựa chọn máy phay CNC 3 trục, thiết
kế chế tạo đầu hàn chuyên dụng và đố gá hàn phù hợp để thực hiện các thí nghiệm
ứng dụng FSW hàn giáp mối hợp kim nhôm tấm A5052.
Đã chế tạo thành công các loại đầu hàn FSW phù hợp để hàn hợp kim nhôm
dày 6 mm với vật liệu S45C và P6M5.
Thực hiện các thí nghiệm khảo sát chất lượng đầu hàn chế tạo mới, các thí
nghiệm hàn giáp mối hai tấm hợp kim nhôm A5052 dày 6 bằng công nghệ FSW và
kiểm tra đánh giá bằng phương pháp kiểm tra ngoại dạng, cơ tính của các mối hàn
thí nghiệm, đồng thời khảo sát ghi đo nhiệt độ khi thay đổi tốc độ quay đầu hàn.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
Nghiên cứu tài liệu về công nghệ FSW trong nước và trên thế giới;
Nghiên cứu tài liệu về hàn hợp kim nhôm;
Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính trong quá trình hàn FSW
Nghiên cứu thực nghiệm
Lựa chọn thiết bị và thiết bị phụ trợ phù hợp để tiến hành thực nghiệm hàn
giáp mối hợp kim nhơm tấm;
Thực hiện các thí nghiệm hàn giáp mối hợp kim nhôm tấm A 5052 dày 6 mm
Kiểm tra và đánh giá chất lượng liên kết hàn;
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
12
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Hàn ma sát
1.1.1. Khái niệm
Hàn ma sát là một trong những dạng hàn áp lực, trong đó nhiệt năng cung
cấp cho quá trình hàn nhận được từ hiệu ứng ma sát khi các bề mặt chuyển động
tương đối với nhau của hai chi tiết dưới áp lực ép hai chi tiết với nhau làm cho vật
liệu khuếch tán vào nhau và tạo ra liên kết. Quá trình hình thành liên kết diễn ra ở
trạng thái rắn (thường ở trạng thái chảy dẻo).
1.1.2. Lịch sử phát triển
Lịch sử phát triển của hàn ma sát bắt đầu từ hàn ma sát xoay, bằng cách cho
2 vật liệu quay ở tốc độ cao tiếp xúc với nhau và lợi dụng nhiệt ma sát sinh ra trên
bề mặt và áp lực để liên kết chúng lại với nhau. Công nghệ hàn ma sát xoay được
phát hiện bởi một người thợ tiện của Nga tên là AI Chudikov vào năm 1954. Sau
nhiều lần thực nghiệm, ông đã tạo thành công các mối nối từ vật liệu kim loại. Từ
năm 1956, kỹ thuật này đã được đưa vào nghiên cứu tại Sở nghiên cứu kỹ thuật hàn
Soviet (VNIESO) và được coi là kỹ thuật bí mật của Nga. Năm 1960, thông tin về
kỹ thuật này lọt vào tay của Nhật bản khi họ đến khảo sát kỹ thuật tại Nga. Được
biết vào thời gian này, chính phủ Nhật hỗ trợ thành lập các đoàn khảo sát kỹ thuật,
cử các kỹ sư giỏi đi tham quan các xí nghiệp ngoại quốc để học tập, thực ra là một
dạng điệp viên kinh tế, lập tức các thông tin kỹ thuật được chuyển về Tokyo và
Hiệp hội nghiên cứu kỹ thuật hàn của Anh Quốc (BWRA).
Ngay từ năm 1961 người Nhật đã có những cơng bố kỹ thuật về hàn ma sát
xoay và bắt đầu ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật chế tạo phụ tùng xe hơi.
Năm 1962, hãng chế tạo máy dệt Toyota bắt đầu đưa vào chế tạo máy hàn
ma sát xoay hàng loạt dạng phanh.
Năm 1964, Nhật thiết lập Hội nghiên cứu hàn ma sát, bắt đầu nghiên cứu hàn
ma sát trên nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo cơ sở lý thuyết cho ra đời các quy
chuẩn về hàn ma sát sau này, ví dụ JIS 3607
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
13
Trong các năm thập kỷ 70, với yêu cầu cao hơn về hàn các biên dạng tấm
phẳng, có kích thước lớn, địi hỏi các nhà nghiên cứu phát triển cơng nghệ hàn ma
sát. Ma sát tịnh tiến ra đời để đáp ứng nhu cầu trên.
Năm 1991 TWI đã phát minh thêm một phương pháp hàn ma sát mới, là hàn
ma sát ngoáy. Với các nghiên cứu ban đầu là hàn các vật mềm dẻo như nhôm,
polyme.
Năm 1998 hãng Izumi được ủy thác chế tạo toàn bộ từ kỹ thuật bàn giao của
Toyota đã chế tạo thành công máy hàn ma sát bán tự động. Máy hàn ma sát có khả
năng hàn 2 loại vật liệu khác nhau với đường kính nhỏ nhất là 1,6 mm.
Hiện tại, các hãng chế tạo máy hàn ma sát xoay nổi tiếng là IZUMI Industry,
SAKAE Industry, TOYO , NITTO, SEIMITSU, TANAKA Seiki Sangyou.
Các trường Đại học có phịng nghiên cứu về Hàn ma sát xoay nổi tiếng ở Nhật là:
Đại học OSAKA, Đại học KEIO, Đại học Công nghiệp HIMEJI, Trung tâm nghiên
cứu kỹ thuật HYOGO, Sở Nghiên cứu kỹ thuật Tổng hợp trực thuộc Bộ Giáo Dục
Nhật
Cho đến nay các phương pháp hàn ma sát vẫn được nghiên cứu và phát triển
với các yêu cầu kỹ thuật cao hơn về thiết bị hàn cũng như mở rộng phạm vi ứng
dụng phương pháp hàn ma sát cho nhiều dạng vật liệu khó hàn.
1.1.3. Phân loại
Hàn ma sát được phân loại với ba dạng cơ bản: hàn ma sát quay, hàn ma sát
tịnh tiến và hàn ma sát ngốy như sau [2]:
1.1.3.1. Hàn ma sát quay
Hình 1.1. Hàn ma sát quay
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
14
Đây là phương pháp hàn được sử dụng phổ biến nhất. Nó dựa trên cơ sở tỏa
nhiệt khi ma sát giữa hai bề mặt đầu có trục quay đồng tâm. Phương pháp này được
dùng để hàn các chi tiết dạng thanh hoặc ống từ vật liệu đồng chất hoặc khác nhau.
Ngun cơng hàn có thể được phân ra làm các bước sau:
Các phần tử hàn được kẹp trong mâm cặp trên trục chính quay và ngàm kẹp.
Nếu các chi tiết hàn khơng có đường tâm đối xứng thì làm đồ gá đặc biệt cho chúng.
Trục chính quay với số vịng cần thiết, để hai phần tử tiến lại gần nhau rồi tác
động lực chiều trục, bắt đầu quá trình hàn. Lúc này do ma sát, nhiệt độ tăng, độ bền
vật liệu giảm đi tạo nên biến dạng. Lực tiếp tục ép làm kim loại dịch chuyển.
Điều kiện này được giữ trong một thời gian xác định cho đến khi đạt được
nhiệt độ cần thiết ứng với bộ đôi vật liệu hàn. Ngừng quay trục chính (tức thời) và
tăng lực tác dụng dọc trục cho đến khi kết thúc quá trình hàn.
Hình 1.2. Các bước hàn ma sát quay
* Ưu điểm:
-
Hàn các chi tiết dạng thanh, ống trịn xoay hoặc khơng tròn xoay;
-
Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ;
-
Năng suất cao;
-
Hàn các kim loại khác nhau với nhau.
* Nhược điểm:
-
Lượng chùm của kim loại mối hàn lớn;
-
Phải gia công cơ khí sau hàn;
-
Thiết bị đắt tiền.
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
15
1.1.3.2. Hàn ma sát tịnh tiến
Hình 1.3. Hàn ma sát tịnh tiến
Hình 1.4. Hàn ma sát tịnh tiến may ơ với cánh
a) Gá đặt chuẩn bị; b) Hàn xong.
Quá trình hàn ma sát tịnh tiến có nguyên lý gần giống với hàn ma sát quay chỉ
khác ở chuyển động quay được thay thế bằng các chuyển động tịnh tiến để bề mặt
tiếp xúc với nhau tạo nhiệt từ hiệu ứng ma sát (hình 1.3) Một số ứng dụng hàn ma
sát tịnh tiến được trong thực tế mà vật, chi tiết khó có thể tạo chuyển động quay trịn
như hình 1.4.
* Ưu điểm [2]:
-
Hàn các chi tiết dạng thanh, ống không tròn xoay;
-
Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ;
-
Ứng dụng rất nhiều trong hàn chất dẻo;
-
Hàn các kim loại khác nhau với nhau.
* Nhược điểm [2]:
-
Lượng chùm của kim loại mối hàn lớn;
-
Phải gia cơng cơ khí sau hàn;
-
Khơng thích hợp lắmđối với vật liệu có hệ số dẫn nhiệt cao;
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
16
-
Thiết bị đắt tiền.
1.1.2.3. Hàn ma sát ngốy
Hình 1.5. Hàn ma sát ngốy.
*Ưu điểm:
- Hàn ma sát ngốy có ưu điểm cơ bản: Độ bền mối hàn cao; Không cần vật
liệu bổ sung; Năng lượng tiêu hao nhỏ; Khơng có rỗ; Không bị cong vênh và biến
dạng nhiệt; Giảm chu trình làm việc đi 50 – 75% so với hàn thông thường; Không
cần chuẩn bị mép phôi trước khi hàn và gia công sau hàn;
-
Hàn giáp mối các chi tiết dạng tấm (phẳng hoặc định hình profil) đến 25mm;
-
Chất lượng hàn cao, biến dạng nhiệt nhỏ;
-
Dễ cơ khí hóa, tự động hóa (dùng Robot);
-
Hàn được các hợp kim đặc biệt trong hàng khơng, vũ trụ.
* Nhược điểm:
-
Có hố lõm cuối đường hàn;
-
Thiết bị đắt tiền;
-
Cần phải đỡ ở mặt đối diện.
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
17
Hàn điểm ma sát ngoáy
Một trong những biến thể của hàn ma sát ngoáy là hàn điểm bằng ma sát (hình
1.6). Đặc biệt nó được sử dụng để hàn nhơm thay cho hàn hồ quang và hàn điện tiếp
xúc, khi có khó khăn về cơng nghệ do độ dẫn điện và nhiệt của nhôm cao.
Khác với hàn điểm tiếp xúc, hàn ma sát không cần dùng dung dịch làm nguội
hoặc khí nén, nên giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ. Vốn đầu tư cho thiết bị hàn ma
sát thấp hơn so với hàn điện tiếp xúc khoảng 40%. Khi hàn ma sát không phải làm
sạch sơ bộ các bề mặt làm việc, khơng bị bắn tóe kim loại nóng chảy.
Hình 1.6. Hàn điểm ma sát ngoáy và cấu trúc mối hàn.
1.2. Cơng nghệ hàn ma sát ngốy
Hàn ma sát ngốy là một trong những công nghệ hàn mà vật liệu cơ bản
ộ bền cao, FSW có thể hàn được rất
khơng nóng chảy, tạo ra nhữ
nhiều các loại vật liệu như: hợp kim nhôm, thép không rỉ, hợp kim đồng, niken,
magie và hợp kim titan, ... và các kim loại khác nhau. FSW không cần kim loại bổ
xung
ền đầy, tạo ra mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, giả
dạng, không bị
ật,... FSW là bướ
ọng nhất về lĩnh vực hàn
trong thập niên qua và là một công nghệ xanh do hiệu quả năng lượng và bảo vệ
môi trường. So sánh với những cơng nghệ hàn trướ
lượng mộ
ụ
ụ khí hàn, khơng có q trình nóng chả
ộc khi hàn, khơng phát sinh tia hồ quang và năng lượng bức xạ, …
Mối hàn chịu lực cao, tăng giới hạn bền mỏi, bền kéo,
dư, không bị
ạng, giảm ứng suất
ật,... Các kim loại vật liệu khác nhau hồn tồn có thể liên kết
hàn với nhau bằng FSW với một chế độ hàn hợp lý và đầu hàn chuyên dụng [3].
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
18
1.2.1. Ngun lý hàn ma sát ngốy
Hình 1.7. Ngun lý hình thành mối hàn FSW
Nguyên lý hình thành mối hàn FSW (hình 1.7):
Dùng một dụng cụ xoay (đầu hàn) được thiết kế đặc biệt gồm: đầu ngoáy và
vai tỳ. Trước tiên, đầu hàn vừa quay vừa đi xuống, phần đầu ngốy xun vào phơi
hàn (tương ứng với chiều sâu ngấu cần thiết), vai tỳ đầu hàn tỳ sát vào bề mặt phơi,
sau đó di chuyển dọc theo hướng hàn để hình thành mối hàn. Với nhiệt ma sát sinh
ra làm vật liệu phơi hàn phía dưới vai tỳ chuyển sang trạng thái chảy dẻo, vùng vật
liệu này được đầu ngoáy ngốy trộn vào nhau. Sau khi nguội vị trí vật liệu chảy dẻo
chuyển sang trạng thái rắn và hình thành đường hàn FSW. Do vật liệu khơng ở
trạng thái nóng chảy rồi đơng lại nên tính chất mối hàn sẽ tốt, cơ tính đảm bảo, loại
trừ khuyết tật, rỗ [3].
Nhiệt ma sát được sinh giữa vai tỳ và đầu ngoáy của đầu hàn với các phơi
hàn có tính chịu mài mịn cao. Nhiệt này, giống như nhiệt từ q trình hòa trộn cơ
học và là đoạn nhiệt trong vật liệu, gây bởi vật liệu bị xoắn chuyển từ rắn sang mềm
mà chưa đạt đến điểm chảy (quá trình trạng thái rắn). Quá trình hàn của vật liệu
được dễ dàng nhờ biến dạng dẻo khốc liệt ở trạng thái rắn có xảy ra quá trình tái kết
tinh động của vật liệu hàn.
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
19
1.2.2. Đặc điểm của FSW
Trái ngược với công nghệ hàn truyền thống, FSW có thể thực hiện được với
nhiều kim loại có thơng số nhiệt nóng chảy khác nhau. Khơng chỉ có thể hàn nhơm
với nhơm mà FSW có thể hàn thép với nhôm hoặc nhiều kim loại khác. Trước khi
công nghệ này xuất hiện, việc kết hợp này rất tốn kém về thời gian và chi phí mặc
dù kết quả đạt được là mối hàn thường nhanh giòn và độ bền không cao.
Dựa trên nguyên lý hàn nối ở trạng thái rắn (kim loại khơng bị nóng chảy
trong q trình hàn), phương pháp này được ứng dụng cho các kim loại có đặc tính
phải duy trì nhiệt trong suốt q trình hàn. Cơng nghệ này chủ yếu sử dụng để hàn
nhôm và hầu hết là các tấm nhôm lớn mà không thể dễ dàng xử lý nhiệt sau khi hàn
để phục hồi đặc tính ban đầu. Điển hình là các hợp kim nhôm 2XXX đến 7XXX,
magiê và đồng.
Một số ưu - nhược điểm của công nghệ FSW:
Ưu điểm: Các ưu điểm của FSW như sau:
-
Độ biến dạng và co ngót thấp, ngay cả trong các mối hàn dài;
-
Tính chất cơ lý tuyệt vời trong các kiểm tra mỏi, kéo nén và uốn cong;
-
Khơng có phát sinh tia hồ quang, năng lượng bức xạ và khói độc;
-
Khơng có độ xốp;
-
Có thể hoạt động ở tất cả các vị trí;
-
Tiết kiệm năng lượng;
-
Một công cụ thường được sử dụng cho đến 1000 m chiều dài mối hàn
trong hợp kim nhôm;
-
Không sử dụng vật liệu hàn bù;
-
Khơng sử dụng khí che chắn mối hàn trong quá trình hàn;
-
Một số dung sai đối với các chế phẩm hàn khơng hồn hảo - các lớp
mỏng oxit có thể được chấp nhận;
-
Khơng cần gia cơng làm sạch bề mặt mối hàn trong sản xuất hàng loạt, có
thể hàn nhơm và đồng > 75 mm độ dày trong một lần.
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
20
Nhược điểm: bên cạnh những ưu điểm thì hàn FSW cũng có những nhược
điểm đó là chi phí thực hiện cao, thiết bị hàn được thiết kế chế tạo cho từng đối
tượng hàn, tùy theo biên dạng, kiểu lắp ghép và tính chất vật liệu vật hàn.
Các yếu tố cơ bản làm hạn chế việc sử dụng hàn FSW là:
-
Cần kẹp rất chặt các chi tiết hàn;
-
Xuất hiện lỗ tại cuối đường hàn;
-
Cần thiết kế và chế tạo các đầu hàn chun dụng;
-
Khơng thể hàn được vật liệu có độ dẻo thấp cả khi ở nhiệt độ cao, hoặc vật
liệu bị mất cơ tính vốn có do biến dạng nhiệt dẻo.
1.2.3. Ứng dụng của FSW
Với nhưng ưu điểm vượt trội so với các phương pháp hàn hàn khác FSW
đang được triển khai ứng dụng nhiều vào dây chuyền sản xuất thiết bị cơng nghiệp,
trong số đó FSW cho hợp kim nhôm, đồng đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ
trong các ngành cơng nghiệp, điển hình như:
Hàng hải và cơng nghiệp đóng tàu [4]
Ngành cơng nghiệp đóng tàu và hàng hải là hai trong số những ngành đầu
tiên đã áp dụng quy trình hàn FSW cho các ứng dụng thương mại.
Quá trình này phù hợp với các ứng dụng sau:
-
Tấm sàn, mặt bích, tấm áp và sàn nhà;
-
Thân và vỏ thượng tầng;
-
Cơ cấu hàng hải và vận tải;
-
Cột buồm, ví dụ như cho thuyền buồm;
-
Nhà máy lạnh.
Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ [4]
Hiện nay, ngành công nghiệp hàng không vũ trụ là ngành đầu tiên áp dụng
công nghệ với nguyên liệu sản xuất bằng cách hàn FSW. Các ứng dụng công nghệ
để hàn vỏ tàu đến thân tàu, khung xương và các chuỗi chi tiết chính sử dụng trong
máy bay quân sự và dân sự. Điều này mang lại những lợi ích đáng kể so với việc gia
cơng chế tạo trước đây, chẳng hạn như tiết kiệm chi phí sản xuất và giảm trọng
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
21
lượng tàu. Mối hàn theo chiều dọc trong thùng nhiên liệu hợp kim nhôm cho các
phương tiện không gian đã được gia công bằng công nghệ hàn FSW và được sử
dụng thành cơng. Q trình này cũng có thể được sử dụng để tăng kích thước của
các tấm có sẵn thương mại bằng cách hàn chúng trước khi hình thành.
Quá trình hàn FSW có thể được xem xét:
-
Cánh, thân máy bay, đuôi máy bay;
-
Thùng nhiên liệu cryogenic cho xe không gian;
-
Thùng nhiên liệu hàng không;
-
Tên lửa quân sự và khoa học;
-
Sửa chữa các mối hàn MIG sai;
-
Máy bay trực thăng hạ cánh;
Công nghiệp Đường sắt
Hiện nay trên thế giới đã sản xuất thương mại các đoàn tàu cao tốc làm từ
nhơm ép đùn, có thể được gia cơng bằng cơng nghệ hàn FSW.
Các ứng dụng bao gồm:
-
Tàu cao tốc;
-
Toa tàu của đường sắt, toa xe điện ngầm, xe điện;
-
Tàu chở hàng và xe chở hàng;
-
Thùng chứa;
Giao thơng đường bộ
Q trình hàn FSW hiện đang được sử dụng thương mại và cũng đang được
đánh giá bởi một số công ty và nhà cung cấp ô tô.
Các ứng dụng hiện tại và tiềm năng bao gồm:
-
Chân máy và khung gầm;
-
Vành xe;
-
Tệp đính kèm ống hydroformed;
-
Khung vũ trụ, ví dụ như hàn ống đùn để đúc các nút;
-
Thân xe tải và thang máy nâng cho xe tải;
-
Cần cẩu di động;
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
22
-
Xe tăng giáp;
-
Tàu chở dầu;
-
Toa xe di động;
-
Xe buýt và xe vận tải hàng không.
1.3. Công nghệ hàn hợp kim nhơm
1.3.1. Nhơm và hợp kim nhơm
Hợp kim nhơm đóng vai trị rất quan trọng trong đời sống, việc sử dụng
nhơm hiện nay có thể đã vượt qua những kim loại khác, chính vì vậy trong nền kinh
tế, nhơm có một vị trí nhất định khơng thể thay thế. Với nhơm ngun chất sẽ có
sức chịu kéo thấp, nhơm có thể tạo ra nhiều hợp kim với nhiều nguyên tố như kẽm,
magiê, đồng, mangan và silic. Sau đây là những ứng dụng quan trọng của nhôm và
hợp kim nhôm để các bạn biết được tầm quan trọng:
-
Nhôm được dùng để làm vỏ phủ vệ tinh nhân tạo hay khí cầu nhằm tăng
nhiệt độ nhờ nhơm có tính hấp thụ bức xạ điện từ Mặt Trời khá tốt.
-
Với tính chất nhẹ và bền hợp kim nhôm được dùng trong ngành công
nghiệp chế tạo, cụ thể là tạo ra các chi tiết cho xe ô tô, xe tải, tàu hỏa, tàu
biển và cả máy bay,…
-
Có cơng dụng trong việc đóng gói như can, giấy gói,…
-
Có khả năng xử lý nước.
-
Là nguồn vật liệu không thể thiếu trong ngành xây dựng, dùng làm cửa
sổ, cửa chính, ván,…
-
Là vật liệu để chế tạo nên những đồ dùng gia đình, nội thất có độ bền cao
như trang thiết bị nấu bếp, bàn ghế, thau, …
-
Dùng làm lõi dây dẫn điện.
-
Ngành chế tạo máy móc.
-
Đặc biệt với nhơm siêu tinh khiết (SPA) có chứa 99,980%-99,999% được
sử dụng trong công nghiệp điện từ, sản xuất đĩa CD,…
-
Với nhôm dạng bột thì dùng vào việc tạo màu bạc trong sơn, bơng nhơm
dùng trong sơn lót trong việc xử lý gỗ để kháng nước.
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
23
-
Cịn có nhơm dương cực hóa chống ơxi hóa thường được sử dụng nhiều
trong ngành xây dựng với nhiều lĩnh vực.
-
Các bộ tản nhiệt CPU trong máy tính và laptop thường làm từ nhơm
-
Có ơxít nhơm trong tự nhiên ở dạng corunđum, emery, ruby và saphia
được dùng để sản xuất thủy tinh. Ruby và saphia tổng hợp trong ống tia
laser để sản xuất ánh sáng có khả năng giao thoa.
-
Nhơm khi ơxi hóa sẽ tạo nhiệt độ cao, chính vậy nên được dùng làm
nguyên liệu rắn cho tên lửa, các thành phần trong hóa học.
-
Nhơm có phản ứng nhiệt dùng điều chế những kim loại có nhiệt độ nóng
chảy cao như crôm Cr Vonfarm W,…
Trên là những ứng dụng của nhơm và hợp kim nhơm, điều đó cho thấy nhơm
là một vật liệu có ảnh hưởng rất lớn trong mỗi ngành. Nhơm là ngun tố hố học
với ký hiệu Al với số nguyên tử bằng 13. Nguyên tử khối bằng 25 dvC. Khối lượng
riêng 2,7g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy là 6600C. Nhôm là nguyên tố phổ biến thứ 3
(sau oxy và silic) và là kim loại phổ biến nhất trong vỏ trái đất. Nhôm chiếm 8%
khối lớp rắn trái đất. Kim loại nhơm hiếm phản ứng hố học mạnh với các mẫu
quặng và có hạn chế trong các mơi trường khử mạnh [4]. Tuy vậy, nó vẫn được tìm
thấy ở dạng hợp chất trong hơn 270 loại khoáng vật khác nhau [5]. Quặng chính
chứa nhơm là boxit. Thuộc tính của nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với màu xám
bạc ánh kim mờ, vì có một lớp oxit tạo thành rất nhanh khi để ở mơi trường bình
thường, dễ uốn và dễ dàng gia công, không nhiễm từ và không cháy khí ở ngồi
khơng khí [4].
Nhằm tăng cường các thuộc tính có lợi để ứng dụng trong sản xuất nhiều
hơn, trong q trình luyện nhơm, nhơm thỏi được nấu chảy và trôn them các kim
loại khác như magnesium, silica, đồng, manganese,…[4] để tạo thành hợp kim
nhơm. Hợp kim nhơm có những tính chất nổi bật: tỉ trọng thấp, tính chống ăn mịn
trong khí quyển do đó có thể sử dụng đa ngành mà khơng cần sơn bảo vệ, tính dẫn
điện được ứng dụng rất nhiều trong ngành điện lực, tính dẻo cao nên khả năng gia
cơng cơ khí dễ dàng.
Học viên: Đỗ Thanh Tùng - CNH15B
24
